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Stand der Technik
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Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Wandler, der bei seiner Entladung gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann beispielsweise zum Fahrzeugantrieb in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dafür sind insbesondere lithiumhaltige Batteriezellen aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit geeignet.
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Solche Batteriezellen weisen jeweils ein Batteriezellengehäuse auf, in dem eine Vielzahl an Elektrodeneinheiten, also Anoden, Separatoren und Kathoden, aufgenommen sind. Dabei kann das Batteriezellengehäuse prismatisch, zylindrisch oder folienartig ausgeführt sein.
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Ein prismatisches Batteriezellengehäuse ist typischerweise mit einem plattenförmig ausgeführten Gehäusedeckel verschlossen, an dem ein positiver und ein negativer Batteriezellenpol zur elektrischen Kontaktierung mit weiteren Batteriezellen positioniert sind. Dabei kann der positive bzw. negative Batteriezellenpol durch eine Öffnung des Gehäusedeckels geführt sein und an dem Gehäusedeckel befestigt sein. Im Fall eines undichten Verschlusses dieser Öffnung kann Luft oder auch Flüssigkeit durch die Öffnung des Gehäusedeckels in den Innenraum des Batteriezellengehäuses eindringen. Auf solche äußeren Einflüsse reagieren die Elektrodeneinheiten vergleichbar sehr empfindlich. Daher sollte die Öffnung möglichst abgedichtet ausgebildet werden.
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Aus dem Dokument
JP 2016143520A ist eine Batteriezelle bekannt, bei der ein positiver Batteriezellenpol durch eine Öffnung eines folienartigen Batteriezellengehäuses hindurch auf eine positive Elektrode laminiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und ein Verfahren zu deren Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Weiterhin ist auch die Verwendung einer solchen Deckelbaugruppe Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst dabei einen Gehäusedeckel, an dem ein erster Batteriezellenpol positioniert ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der erste Batteriezellenpol zumindest eine erste Durchbrechung aufweist, welche parallel zu einer Großfläche des ersten Batteriezellenpols ausgerichtet ist.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe besteht darin, dass das Gewicht des ersten Batteriezellenpols durch das Vorsehen der zumindest einen Durchbrechung im ersten Batteriezellenpol im Vergleich zu einem herkömmlichen massiven Batteriezellenpol verringert wird. Damit wird das Gewicht der Deckelbaugruppe und somit das Gesamtgewicht des Batteriezellengehäuses reduziert. Dadurch wird auch die Energiedichte einer die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfassenden Batteriezelle erhöht.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine erste Durchbrechung des ersten Batteriezellenpols mit einem Kunststoff ausgefüllt ist.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn der Gehäusedeckel denselben Kunststoff aufweist, der sich in der zumindest einen ersten Durchbrechung des ersten Batteriezellenpols befindet. Vorzugsweise wird die zumindest eine erste Durchbrechung des ersten Batteriezellenpols mittels Spritzguss mit einem Kunststoff verfüllt und zugleich aus demselben Kunststoff ein Außenrahmen umlaufend um den ersten Batteriezellenpol als Gehäusedeckel ausgebildet. Damit wird der erste Batteriezellenpol mit dem Gehäusedeckel stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden. Somit wird eine Dichtung zwischen dem Gehäusedeckel und dem ersten Batteriezellenpol sichergestellt.
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Alternativ ist es von Vorteil, wenn der Gehäusedeckel ein Metall aufweist. Dabei ist der Gehäusedeckel vorzugsweise mit einer ersten Öffnung zur Aufnahme des ersten Batteriezellenpols vorgesehen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die erste Öffnung an ihrer Wandung zumindest eine Vertiefung aufweist, welche parallel zu einer Großfläche des Batteriezellenpols ausgerichtet ist.
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Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Vertiefung der ersten Öffnung mit demselben Kunststoff wie die zumindest eine erste Durchbrechung des ersten Batteriezellenpols ausgefüllt. Dabei wird der Kunststoff vorzugsweise mittels Spritzguss in die zumindest eine Vertiefung der ersten Öffnung und in die zumindest eine erste Durchbrechung des ersten Batteriezellenpols ausgefüllt. Damit wird der erste Batteriezellenpol mit dem Gehäusedeckel stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden. Darüber hinaus dient der Kunststoff einer elektrischen Isolation des Batteriezellenpols gegenüber dem Gehäusedeckel. Damit werden keine zusätzlichen Dichtungselemente und Isolationselemente zwischen dem Batteriezellenpol und dem Gehäusedeckel benötigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses bereitgestellt.
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Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein erster Batteriezellenpol aufweisend eine Großfläche zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise wird dabei zumindest eine erste Durchbrechung parallel zu der Großfläche des ersten Batteriezellenpols in den ersten Batteriezellenpol eingebracht. Dabei erfolgt das Einbringen der zumindest einen ersten Durchbrechung vorzugsweise mittels Laserbohren.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn in einem zweiten Verfahrensschritt die zumindest eine erste Durchbrechung mit einem Kunststoff ausgefüllt wird. Das Ausfüllen der zumindest einen Durchbrechung wird vorzugsweise mittels eines Spritzgussverfahrens durchgeführt, bei dem der erste Batteriezellenpol in eine Gussform eingeführt wird. Dabei wird die Menge des Kunststoffes derart bestimmt, dass die zumindest eine Durchbrechung vollständig mit dem Kunststoff ausgefüllt und zusätzlich ein Außenrahmen aufweisend einen Gehäusedeckel umlaufend um den ersten Batteriezellenpol ausgebildet wird. Damit wird ein derartiger Gehäusedeckel auf einfache Weise hergestellt und zugleich mit dem ersten Batteriezellenpol stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden.
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Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einem zweiten Verfahrensschritt ein vorzugsweise metallischer Gehäusedeckel mit einer ersten Öffnung bereitgestellt. Dabei wird zumindest eine erste Vertiefung parallel zu einer Großfläche des ersten Batteriezellenpols bzw. des Gehäusedeckels in der Wandung der ersten Öffnung eingebracht.
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Daraufhin werden in einem dritten Verfahrensschritt die zumindest eine erste Durchbrechung des ersten Batteriezellenpols und die zumindest eine erste Vertiefung bevorzugt mittels eines Spritzgussverfahrens mit einem Kunststoff ausgefüllt. Dabei wird die Menge des benötigten Kunststoffes derart bestimmt, dass die zumindest eine erste Durchbrechung und die zumindest eine erste Vertiefung vorzugsweise vollständig mit dem Kunststoff ausgefüllt und ein Abstandshalter aus Kunststoff zwischen dem ersten Batteriezellenpol und dem Gehäusedeckel ausgebildet wird. Dabei dient der Abstandshalter zugleich einer elektrischen Isolation des ersten Batteriezellenpols gegenüber dem Gehäusedeckel. Damit werden keine zusätzlichen Verfahrensschritte, in denen eine Dichtung oder eine elektrische Isolation zwischen dem Gehäusedeckel und dem ersten Batteriezellenpol bereitgestellt wird, benötigt.
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Die Deckelbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich vorteilhaft in einem Batteriezellengehäuse in lithiumhaltigen Batteriesystemen wie Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können wiederum Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener elektrischer Energie finden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenpols gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Batteriezellenpols gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3 eine schematische Darstellung einer Deckelbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung einer Deckelbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 5 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 6 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Deckelbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist ein Batteriezellenpol 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Der Batteriezellenpol 10 umfasst beispielsweise eine Oberplatte 12, eine Unterplatte 16 und einen dazwischen positionierten Kernteil 14. Der Batteriezellenpol 10 kann grundsätzlich auch ohne eine Oberplatte 14 und eine Unterplatte 16 ausgeführt sein. Dabei ist der Batteriezellenpol 10 beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierung hergestellt. Darüber hinaus umfasst der Batteriezellenpol 10 eine Mehrzahl an Durchbrechungen 18, die parallel zu einer ersten Großfläche 120 des Batteriezellenpols 10 ausgerichtet sind. Die Form der Durchbrechungen 18 ist beispielsweise rund ausgeführt. Dabei kann die Form auch beispielsweise dreieckig oder viereckig sein. Die exemplarisch dargestellten fünf Durchbrechungen 18 sind in regelmäßigen Abständen nebeneinander angeordnet. Grundsätzlich kann der jeweilige Abstand zweier nebeneinander angeordneter Durchbrechungen 18 je nach Anwendungsfall auch unterschiedlich ausgewählt werden.
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In 2 ist ein Batteriezellenpol 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Der Batteriezellenpol 10 umfasst in dieser Ausführungsform eine Oberplatte 12, eine Unterplatte 16 und einen dazwischen positionierten Kernteil 14. Weiter umfasst der Batteriezellenpol 10 eine erste Mehrzahl an Durchbrechungen 18, welche beispielhaft in einem regelmäßigen Abstand nebeneinander angeordnet sind. Darüber hinaus umfasst der Batteriezellenpol 10 eine zweite Mehrzahl an Durchbrechungen 20, die wie die erste Mehrzahl an Durchbrechungen 18 parallel zu einer Großfläche 120 des Batteriezellenpols 10 ausgerichtet sind.
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In 3 ist eine Deckelbaugruppe 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren.
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Die Deckelbaugruppe 30 umfasst einen Gehäusedeckel 34, welcher sich umlaufend um einen ersten Batteriezellenpol 10 und einen zweiten Batteriezellenpol 32 befindet. Dabei ist der erste Batteriezellenpol 10 beispielsweise als positiver Batteriezellenpol und der zweite Batteriezellenpol 32 beispielsweise als negativer Batteriezellenpol ausgeführt. Der erste Batteriezellenpol 10 sowie der zweite Batteriezellenpol 32 beinhaltet beispielsweise eine erste und/oder eine zweite Mehrzahl an Durchbrechungen 18, 20 gemäß 1 oder 2. Die Durchbrechungen 18, 20 werden dabei vorzugsweise mittels eines Spritzgussverfahrens mit einem Kunststoff, beispielsweise Polyethylen (PE), ausgefüllt.
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Das verwendete Spritzgussverfahren wird beispielsweise derart durchgeführt, dass zunächst einer der Batteriezellenpole 10, 32 in eine Gussform mit einer größeren Grundfläche als der zumindest eine Batteriezellenpol 10, 32 eingebracht und anschließend ein Kunststoff in dessen flüssigem Zustand in die Gussform eingeführt wird. Der Verfahrensschritt des Einführens des Kunststoffs wird so lange durchgeführt, bis der Zwischenraum zwischen einer inneren Wandung der Gussform und dem zumindest einen Batteriezellenpol 10, 32 vollständig mit dem Kunststoff ausgefüllt wird. Der Anteil des eingeführten Kunststoffs im Zwischenraum bildet in dieser Ausführungsform den Gehäusedeckel 34 umlaufend um die Batteriezellenpole 10, 32 aus. Damit wird ein derartiger Gehäusedeckel 34 relativ einfach hergestellt und zugleich mit dem zumindest einen Batteriezellenpol 10, 32 stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden.
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In 4 ist eine Deckelbaugruppe 40 eines Batteriezellengehäuses gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren.
Die Deckelbaugruppe 40 umfasst in dieser Ausführungsform einen Gehäusedeckel 42, der beispielsweise metallisch ausgeführt ist. Dabei weist der Gehäusedeckel 42 beispielsweise eine erste Öffnung 422 für einen ersten Batteriezellenpol 10 und eine zweite Öffnung 424 für einen zweiten Batteriezellenpol 32 auf. Zumindest eine der Öffnungen 422, 424 beinhaltet an ihrer Wandung eine erste Vertiefung, welche parallel zu einer Großfläche 120 der Batteriezellenpole 10, 32 ausgeführt ist. Die zumindest eine erste Vertiefung ist beispielsweise mit demselben Kunststoff wie die zumindest eine erste Durchbrechung 18, 20 der Batteriezellenpole 10, 32 ausgefüllt. Der Verfahrensschritt des Ausfüllens besteht zunächst darin, dass der Gehäusedeckel 42 in eine Gussform vorzugsweise passgenau eingebracht wird. Daraufhin wird zumindest einer der Batteriezellenpole 10, 32 in dessen Öffnung 422, 424 aufweisend einen größeren Querschnitt als der zumindest eine Batteriezellenpol 10, 32 vorzugsweise mittig in der Öffnung angeordnet.
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Anschließend wird ein Kunststoff in flüssigem Zustand in einen Zwischenraum zwischen dem zumindest einen Batteriezellenpol 10, 32 und der Wandung der Öffnungen 422, 424 so lange eingefüllt, bis der Zwischenraum vollständig mit dem Kunststoff ausgefüllt ist. Zugleich wird die erste Vertiefung der zumindest einen Öffnung 422, 424 sowie die zumindest eine erste Durchbrechung 18, 20 der Batteriezellenpole 10, 32 vorzugsweise vollständig mit dem Kunststoff ausgefüllt. Dabei dient der Kunststoff im Zwischenraum einer elektrischen Isolation des zumindest einen Batteriezellenpols 10, 32 gegenüber dem Gehäusedeckel 42. Damit sind die Batteriezellenpole 10, 32 stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Gehäusedeckel 42 verbunden.
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In 5 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagram eines ersten Verfahrens 50 zur Herstellung einer Deckelbaugruppe 30 gemäß 3 dargestellt.
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In einem ersten Verfahrensschritt 52 wird ein erster Batteriezellenpol 10 bereitgestellt. Dabei wird zugleich ein zweiter Batteriezellenpol 32 aufweisend denselben Aufbau wie der erste Batteriezellenpol 10 zur Verfügung gestellt. Die Bereitstellung der Batteriezellenpole 10, 32 besteht zunächst darin, dass zumindest eine beispielsweise parallel zu einer Großfläche 120 des ersten bzw. zweiten Batteriezellenpols 10, 32 ausgerichtete erste Durchbrechung 18, 20 in den ersten bzw. zweiten Batteriezellenpol 10, 32 beispielsweise mittels Laserbohren eingebracht wird.
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Daraufhin wird in einem zweiten Verfahrensschritt 54 die zumindest eine erste Durchbrechung 18, 20 mit einem Kunststoff beispielsweise mittels eines Spritzgussprozess ausgefüllt. Zugleich wird in dem zweiten Verfahrensschritt 54 ein Gehäusedeckel 34 aufweisend denselben Kunststoff wie die zumindest eine erste Durchbrechung 18, 20 umlaufend um die Batteriezellenpole 10, 32 ausgebildet.
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In 6 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagram eines zweiten Verfahrens 60 zur Herstellung einer Deckelbaugruppe 40 gemäß 4 dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Verfahrensschritte wie in 5.
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In dieser Ausführungsform werden in einem ersten Verfahrensschritt 52 ein erster und ein zweiter Batteriezellenpol 10, 32 bereitgestellt. Daraufhin wird in einem zweiten Verfahrensschritt 64 ein Gehäusedeckel 42 mit einer ersten und einer zweiten Öffnung 422, 424 bereitgestellt. Die Reihenfolge des ersten und des zweiten Verfahrensschrittes 52, 64 kann auch umgekehrt sein.
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In dem zweiten Verfahrensschritt 64 wird zumindest eine erste parallel zu einer Großfläche 120 des ersten bzw. zweiten Batteriezellenpols 10, 32 ausgerichtete Vertiefung an einer Wandung der ersten bzw. zweiten Öffnung 422, 424 beispielsweise mittels Laserbohren angebracht.
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Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt 66 die zumindest eine erste Vertiefung mit einem Kunststoff in flüssigem Zustand mittels eines Spritzgussprozesses ausgefüllt. Zugleich wird eine erste Durchbrechung 18, 20 des ersten bzw. zweiten Batteriezellenpols 10, 32 mit demselben Kunststoff ausgefüllt. Dabei wird die Menge des auszufüllenden Kunststoffes derart bestimmt, dass ein Zwischenraum zwischen einem der Batteriezellenpole 10, 32 und einer der Öffnungen 422, 424 des Gehäusedeckels 42 vollständig ausgefüllt wird.
Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe 30, 40 lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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